一、简述
主要编写了一个测试验证PadLock AES内核接口的验证模块。应用PadLock AES内核接口实现加密解密。本文提供了应用该模块的方法、步骤、原理及源码。
二、操作环境
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操作系统 |
mint17 |
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内核 |
3.8.0 |
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编译器 |
gcc4.7.3 |
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CPU |
VIA Nano X2 L4530 @ 1.6+ GHz |
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内存 |
4G |
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多核 |
2个 |
三、主要原理
Linux内核有关于加密的函数的接口，主要在cryto文件夹目录中。有AES、SHA等多种算法的实现接口。网上有很多介绍Linux内核关于加密算法框架的文章，通过阅读Linux内核源码，编写了一个使用AES内核函数库的内核模块。
使用AES加密算法主要有4个函数：
crypto_blkcipher_setkey
crypto_blkcipher_set_iv
crypto_blkcipher_encrypt
crypto_blkcipher_decrypt
只有这几个函数配置正确，那么就可以正常使用Linux内核的AES加密库了。下面介绍这几个函数的用法。
static inline int crypto_blkcipher_setkey(struct crypto_blkcipher *tfm,
const u8 *key, unsigned int keylen)
该函数主要是用于设置加密关键字key。这里需要说明下AES算法的如何应用，对于算法层级，AES通过key(关键字)、iv(初始化向量)、加密模式（CBC/ECB/CFB/OFB等）、key-length(128/192/256)来确定加密的模式，依据不同的模式同样的明文加密出的密文是不一样的。crypto_blkcipher_setkey()函数就是设置其key。*key是秘钥，keylen是秘钥长度（单位字节可以选择16、24、32）
下面说说crypto_blkcipher *tfm，结构体这个是加密上下文，它是贯穿加密的始终，crypto_blkcipher_setkey、crypto_blkcipher_set_iv都是用来设置tfm这个结构体的，它是加密配置的载体。
struct crypto_blkcipher {
struct crypto_tfm base;
};
struct crypto_tfm {
u32 crt_flags;
union {
struct ablkcipher_tfm ablkcipher;
struct aead_tfm aead;
struct blkcipher_tfm blkcipher;
struct cipher_tfm cipher;
struct hash_tfm hash;
struct compress_tfm compress;
struct rng_tfm rng;
} crt_u; //确定是算法模式
void (*exit)(struct crypto_tfm *tfm); //退出函数
struct crypto_alg *__crt_alg;
void *__crt_ctx[] CRYPTO_MINALIGN_ATTR;
};
从中间那个union和上面的一堆#define可以看出，从这个结构又可以分散出一组xxx_tfm。crypto_alg对应cipher_tfm。最后那个参数__crt_ctx[]就是上面说到的算法上下文。也就是说，算法上下文是跟随tfm一起分配的。从tfm，我们就可以得到ctx。Linux提供了一个函数inline void *crypto_tfm_ctx(struct crypto_tfm *tfm);来进行转换，该函数也在<srcdir>/include/linux/crypto.h中。
下面介绍crypto_blkcipher_set_iv函数
static inline void crypto_blkcipher_set_iv(struct crypto_blkcipher *tfm,
const u8 *src, unsigned int len)
它的功能是设置iv（初始化向量）。src是iv值，len是iv的长度，tfm是和前面讲述的一样。
下面介绍核心加密函数crypto_blkcipher_encrypt_iv：
static inline int crypto_blkcipher_encrypt(struct blkcipher_desc *desc, struct scatterlist *dst, struct scatterlist *src, unsigned int nbytes)
它的功能就是实现加密。返回0表示正确，1表示错误。*desc是加密上下文结构体，上面set_iv和set_key就是用来设置这个blkcipher_desc结构体的，
原型为：
struct blkcipher_desc {
struct crypto_blkcipher *tfm;
void *info;
u32 flags;
};
其中tfm就是之前我们所说的加密上下文，info通常用来存放iv，因为块加密的散集序列工具（scatterwalk）在初始化时直接将info当作iv来使用。
散集序列（scatterlist）是什么呢？【1】
在Linux内核中，跟外设打交道有三种方式：IO、端口和DMA，这个教科书上都讲了。其中DMA方式是由DMA控制器来控制内存、外设间的数据传输。我们知道，Linux的地址空间有三种：虚拟地址、物理地址和总线地址。DMA要求每次传输的一整块数据分布在连续的总线地址空间上。而DMA是为传输大块数据设计的，但是大块的连续总线地址空间通常是稀缺的。因此当没有那么多连续空间时，只能将大块数据分散到尽可能少的小块连续地址上，然后让DMA控制器一块接着一块地把数据全部传完。因此Linux内核中专门设计了一种叫做散集序列（scatterlist）的数据结构将小块的连续总线地址串起来，交给DMA驱动自动地一个接着一个地传输。
说白了，scatterlist就是一个线性表（scatterlist可以是链表，也可以是数组），每个元素包含一个指针指向一块总线地址连续的内存块，这是为DMA量身定做的数据结构。
scatterlist的结构体
struct scatterlist {
#ifdef CONFIG_DEBUG_SG
unsigned long sg_magic;
#endif
unsigned long page_link; //哪一页
unsigned int offset; //页的偏移
unsigned int length; //该数据长度
dma_addr_t dma_address;
#ifdef CONFIG_NEED_SG_DMA_LENGTH
unsigned int dma_length;
#endif
};
在本文中给scatterwalk分配空间及设置数据利用函数：
sg_init_one（）。
scatterwalk是对物理内存的操作，它便于DMA的传输。但是我们在Linux内核中的操作很多是对虚拟内存的处理（显示数据printk），因此还需要在应用scatterwalk的同时，要还需要它映射到虚拟内存中来利用（kmap），在后面实现程序中会介绍。
dst是目的地址，src是原数据，nbytes是处理的字节。
crypto_blkcipher_decrypt函数的原型是：
static inline int crypto_blkcipher_decrypt(struct blkcipher_desc *desc, struct scatterlist *dst, struct scatterlist *src, unsigned int nbytes)
该函数的作用是解密，和加密算法参数类似，不再累述。
四、源码实现
主要关键的函数说完了，下面结合具体的源码进一步分析：
我通过编译Linux内核模块实现，两个文件：tcrypt.c和Makefile。直接通过make、make install就可以实现。
tcrypt.c:
#include <linux/module.h>
#include <linux/crypto.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/scatterlist.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/highmem.h>
static void my_test_cipher(void) //实现函数
{
unsigned int ret;
int i;
/*必须要用数组，如果用*code这种方式就会输出不正确的数据，还请大神们帮忙解答*/
char code[17] = "1234567887654321";
char *key = "0123456789abcdef";//关键key
char *iv = "1234567887654321";//设置iv值
struct scatterlist sgd;//散集序列，输出
struct scatterlist sgs;//散集序列，输入
struct scatterlist sgl;//散集序列，解密后输出
char last_mem[17];
char dst_mem[17];
char *out = NULL;
char *result = NULL;
char *src = NULL;
struct crypto_blkcipher *tfm;
struct blkcipher_desc desc;
memset(last_mem,0,17);
memset(dst_mem,0,17);
/*分配块加密上下文
cbc(aes)表示模式，也可以ofb(aes)等，通常第一个参数为0，第三个参数表示加密模式,
*/
tfm = crypto_alloc_blkcipher("cbc(aes)", 0, CRYPTO_ALG_ASYNC); desc.tfm = tfm;
desc.flags = 0;
/*设置散集序列，将Linux内核中虚拟内存的数据传送到散集序列供dma应用，其中dst_mem，code,last_mem是我们自己设定的值，后面的16表示数据长度大小*/
sg_init_one(&sgd,dst_mem,16);
sg_init_one(&sgs,code,16);
sg_init_one(&sgl,last_mem,16);
crypto_blkcipher_setkey(tfm,key,16);//设置key
crypto_blkcipher_set_iv(tfm,iv,16);//设置iv
/*将sgs(散集序列，物理内存)映射到Linux内核的虚拟内存中，目的是我们可以显示其数据*/
src = kmap(sg_page(&sgs))+sgs.offset;
printk("the orgin is\n");
for(i = 0 ;i < sgs.length;i++){
printk("%c\n",src[i]);
}
//加密
ret = crypto_blkcipher_encrypt(&desc,&sgd,&sgs,sgs.length);
if (!ret) {
printk("AES encrypt success*************************\n");
out = kmap(sg_page(&sgd))+sgd.offset;
printk("the encrypt is:\n");
for(i = 0;i<sgd.length;i++){
printk("%c\n",out[i]);
}
}
else{
printk("the encrypt is wrong\n");
return ;
}
crypto_blkcipher_setkey(tfm,key,16);
crypto_blkcipher_set_iv(tfm,iv,16);
//解密
ret = crypto_blkcipher_decrypt(&desc,&sgl,&sgd,sgd.length);
if(!ret){
printk(KERN_INFO"hw aes decrypt is success\n");
result = kmap(sg_page(&sgl))+sgl.offset;
for(i = 0; i < sgl.length;i++){
printk("%c\n",result[i]);
}
}
else{
printk("the decrypt is wrong\n");
return;
}
crypto_free_blkcipher(tfm);
}
static int __init tcrypt_mod_init(void)
{
my_test_cipher();
return 0;
}
/*
* If an init function is provided, an exit function must also be provided
* to allow module unload.
*/
static void __exit tcrypt_mod_fini(void) { }
module_init(tcrypt_mod_init);
module_exit(tcrypt_mod_fini);
//MODULE_PARM_DESC(sec, "Length in seconds of speed tests "
// "(defaults to zero which uses CPU cycles instead)");
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_DESCRIPTION("Quick & dirty crypto testing module");
MODULE_AUTHOR("dachuan");
Makefile:
KONAME = tcrypt.o
IFTEST=$(shell lsmod | grep tcrypt | wc -l)
KERNELDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD :=$(shell pwd)
obj-m:=$(KONAME)
module:
make -C $(KERNELDIR) M=$(PWD)
test_install :
ifeq ($(IFTEST),1)
rmmod tcrypt
insmod tcrypt.ko
else
insmod tcrypt.ko
endif
install: test_install
.PHONY:install
clean:
rm *.o *.mod.c modules.order Module.symvers .*.cmd *.ko
rm -rf .tmp_versions
五、实验
首先进入带有tcrypt.c makefile的文件夹：
输入命令：
make
make install
利用dmesg查看Linux内核信息：
参考文献
[1]http://blog.csdn.net/sonicling/article/details/6275898 Linux内核块设备加密分析